Spatial heterogeneity and rates of spread in experimental streams

Seasonal invasion dynamics in a spatially heterogeneous river with fluctuating flows

A key problem in environmental flow assessment is the explicit linking of the flow regime with ecological dynamics. We present a hybrid modeling approach to couple hydrodynamic and biological processes, focusing on the combined impact of spatial heterogeneity and temporal variability on population dynamics. Studying periodically alternating pool-riffle rivers that are subjected to seasonally varying flows, we obtain an invasion ratchet mechanism. We analyze the ratchet process for a caricature model and a hybrid physical-biological model. The water depth and current are derived from a hydrodynamic equation for variable stream bed water flows and these quantities feed into a reaction-diffusion-advection model that governs population dynamics of a river species. We establish the existence of spreading speeds and the invasion ratchet phenomenon, using a mixture of mathematical approximations and numerical computations. Finally, we illustrate the invasion ratchet phenomenon in a spatially two-dimensional hydraulic simulation model of a meandering river structure. Our hybrid modeling approach strengthens the ecological component of stream hydraulics and allows us to gain a mechanistic understanding as to how flow patterns affect population survival.

Directional biases and resource-dependence in dispersal generate spatial patterning in a consumer-producer model

Directional dispersal plays a large role in shaping ecological processes in diverse systems such as rivers, coastlines and vegetation communities. We describe an instability driven by directional dispersal in a spatially explicit consumer-producer model where spatial patterns emerge in the absence of external environmental variation. Dispersal of the consumer has both undirected and directed components that are functions of producer biomass. We demonstrate that directional dispersal is required for the instability, while undirected diffusive dispersal sets a lower bound to the spatial scale of emerging patterns. Furthermore, instability requires indirect feedbacks affecting consumer per capita dispersal rates, and not activator-inhibitor dynamics affecting production and mortality as is described in previous theory. This novel and less-restrictive mechanism for generating spatial patterns can arise over realistic parameter values, which we explore using an empirically inspired model and data on stream macroinvertebrates.

História de vida de Laetacara aff. araguaiae Ottoni & Costa, 2009 (Perciformes, Cichlidae) em dois riachos no Noroeste do Estado de São Paulo, Brasil

Foi investigada a estrutura em tamanho, densidade, alimentação, fecundidade e presença de ectoparasitos em duas populações de Laetacara aff. araguaiae no Noroeste do Estado de São Paulo, em dois riachos, sendo um estruturalmente mais heterogêneo (HET) e outro relativamente mais simplificado (SIM). Foram realizadas seis amostragens em cada riacho, sendo três no período chuvoso (outubro, dezembro/2007, fevereiro/2008) e três no seco (abril, julho e setembro/2008), durante 15 minutos de coletas em cada riacho, utilizando-se uma peneira com malha de 3 mm. Foram coletados 118 indivíduos no riacho HET (49 no período chuvoso e 69 no seco) e 146 no riacho SIM (82 no chuvoso e 64 no seco). Os peixes coletados no riacho HET foram maiores do que aqueles coletados no riacho SIM, independente do período considerado. A densidade populacional foi similar entre os dois riachos, com aumento que coincidiu com o pico do período seco. Fragmentos de insetos aquáticos representaram os itens mais importantes da dieta, com variação espaço-temporal pouco relevante. A fecundidade foi significativamente maior no riacho HET, variando de 977 a 1.602 ovócitos, em contraste com as fêmeas do riacho SIM, que apresentaram de 338 a 814 ovócitos. Os ectoparasitos (Digenea) estiveram presentes somente em indivíduos do riacho SIM e encontravam-se aderidos às nadadeiras (dorsal e anal), com maior prevalência no mês de outubro. A alimentação e densidade foram similares nas duas populações de Laetacara aff. araguaiae, ao contrário da estrutura em tamanho e fecundidade. As diferenças nestes parâmetros demográficos não ocorrem ao acaso e são possivelmente reflexo das elevadas taxas de parasitismo no riacho mais simplificado que determinam menor alocação de recursos para crescimento e reprodução nesta população de peixes.